CN108155910A - 一种基于fpga的高速正余弦编码器解码方法 - Google Patents

一种基于fpga的高速正余弦编码器解码方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的高速正余弦编码器解码方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、对正余弦编码器输出的两路正余弦信号和一路零位信号作编码器信号处理；步骤2、FPGA实现粗级角度信号测量，获得粗级脉冲边沿计数值；步骤3、FPGA实现精级角度信号测量，获得精级角度值；步骤4、根据步骤2的粗级脉冲边沿计数值以及正余弦编码器的转向和步骤3的精级角度计算值，粗精耦合解算得出当前编码器角度值。本发明在使用低成本、小体积编码器的情况下实现了角度的高速高精度测量。

Description

一种基于FPGA的高速正余弦编码器解码方法
技术领域
本发明属于旋转式惯性系统控制与测量技术领域，涉及高速正余弦编码器解码装置，尤其是一种基于FPGA的高速正余弦编码器解码方法。
背景技术
旋转式惯性导航系统中，系统姿态是最重要的输出指标之一，而系统姿态是由IMU解算姿态和旋转机构的角度叠加而成，因此高速高精度的角度测量装置是系统设计的保障。常用的角度测量装置有旋转变压器和光电编码器。旋转变压器精度和可靠性表现都比较良好，但其价格高昂，常用在超高精度惯性设备中；与旋转变压器相比，光电编码器造价较低，结构形式多样，安装简便，尤其是正余弦编码器，因其特定的信号输出形式，编码器在刻线数一定的情况下，可以通过后续信号处理获得更高精度的角度信息，因此在旋转式惯性系统中有较为广泛的应用。
目前，现有的正余弦编码器解码装置多采用单片机或DSP完成，虽然易于实现，但是数据采集速度很难提升，同时传统的低精度AD转换方式很难发挥正余弦编码器的信号细分性能。因此，研发一种高精度高速正余弦编码器解码方法是本领域技术人员迫切需要解决的一项技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种设计合理、采样速度快且采样精度高的基于FPGA的高速正余弦编码器解码方法。
一种基于FPGA的高速正余弦编码器解码方法，包括以下步骤：
步骤1、对正余弦编码器输出的两路正余弦信号和一路零位信号作编码器信号处理；
步骤2、FPGA实现粗级角度信号测量，获得粗级脉冲边沿计数值；
步骤3、FPGA实现精级角度信号测量，获得精级角度值；
步骤4、根据步骤2的粗级脉冲边沿计数值以及正余弦编码器的转向和步骤3的精级角度计算值，粗精耦合解算得出当前编码器角度值。
而且，所述步骤1的具体步骤包括：
(1)两路正余弦信号依次通过差分放大、低通滤波、零电压比较器和光耦隔离电路，产生A和B两路相位相差90度的TTL电平脉冲信号输出至FPGA；
(2)所述两路正余弦信号还依次通过差分放大和低通滤波电路后，分别输出至两路高精度AD采集电路，该两路高精度AD采集电路将AD的数据通过SPI总线输出至FPGA；
(3)一路零位信号依次通过差分放大、零电压比较器和光耦隔离电路，将一路零位信号转换为TTL电平窄幅零位脉冲信号输出至FPGA。
而且，所述步骤2的具体方法为：根据步骤1第(1)步产生A和B两路相位相差90度的TTL电平脉冲信号的相位关系，确定当前正余弦编码器的转向；并在FPGA中创建粗级脉冲边沿计数器，根据两路增量脉冲信号关系，完成粗级脉冲边沿计数值计算。
而且，所述步骤3的具体方法为：将A路正弦信号的一个周期划分为四个象限，根据正反转条件下的两路脉冲信号关系，确定当前所处象限数；并利用FPGA实时采集AD转换器测得的两路正余弦信号电压值，通过查找事先编制的数组表，获得当前的精级角度值。
而且，所述步骤4的粗精耦合解算得出当前编码器角度值的计算公式如下：
θangle＝Kcorse·Δdegp+Dir·βfine
其中：θangle为当前实测角度值；
Kcorse为粗级脉冲计数值；
Δdegp为每个粗级单位计数所表示的角度值，采用5000线正余弦编码器，该值为360/(5000*4)＝0.018°；
Dir为转向指示标志，正转为+1，反转为-1；
βfine为精级角度测量值。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明提供基于FPGA的高速正余弦编码器解码方法，主要包括编码器信号处理、采用FPGA实现粗级角度信号测量、采用FPGA实现精级角度信号测量、粗精耦合解算当前编码器角度值四个步骤。本发明针对旋转式惯性系统对旋转机构角度精度的要求，创新性地进行了电路功能模块设计和FPGA解码程序设计，经实际验证，角度更新频率可达32KHz，远高于采用单片机或者DSP实现的解码频率，在使用低成本、小体积编码器的情况下实现了角度值的高速高精度测量。
2、本发明实现了远高于采用单片机或者DSP实现的解码频率，在使用低成本、小体积编码器的情况下实现了角度的高速高精度测量。
附图说明
图1是本发明的本发明处理流程图；
图2是本发明的本发明处理流程图；
图3是本发明的正向旋转时A/B信号波形图；
图4是本发明的反向旋转时A/B信号波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
本发明提供了一种基于FPGA的高速正余弦编码器解码方法，采用差分放大、低通滤波等电路提高模拟信号的质量和抗干扰能力，采用比较电路和FPGA脉冲边沿捕获模块获得粗级角度信号，采用FPGA解析高精度AD所测得的模拟量获得精级角度信号。在以上功能模块的协作下，利用成本低、体积小、刻线数少的正余弦编码器即可输出较高精度的角度测量值，从而满足惯性系统的需求。
在本实施例中，编码器以5000线正余弦编码器为例，2路正余弦信号和1路零位信号分别用A、B、Z表示。
一种基于FPGA的高速正余弦编码器解码方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、对正余弦编码器输出的两路正余弦信号和一路零位信号作编码器信号处理；
所述步骤1的具体步骤包括：
(4)两路正余弦信号依次通过差分放大、低通滤波、零电压比较器和光耦隔离电路，产生A和B两路相位相差90度的TTL电平脉冲信号输出至FPGA；
(5)所述两路正余弦信号还依次通过差分放大和低通滤波电路后，分别输出至两路高精度AD采集电路，该两路高精度AD采集电路将AD的数据通过SPI总线输出至FPGA；
(6)一路零位信号依次通过差分放大、零电压比较器和光耦隔离电路，将一路零位信号转换为TTL电平窄幅零位脉冲信号输出至FPGA。
在本实施例中，所述步骤1包括以下具体步骤：
1)编码器输出信号处理电路如图2所示。两路正余弦信号A、B依次通过差分放大、低通滤波、零电压比较器和光耦隔离电路，产生两路相位相差90度的TTL电平脉冲信号，该信号连接至FPGA的通用IO接口；
2)该两路正余弦信号还通过差分放大、低通滤波电路后，分别连接至两路高精度AD采集电路，FPGA通过通用IO接口连接到AD采集芯片的SPI数字引脚上；
3)零位信号Z依次通过差分放大、零电压比较器和光耦隔离电路，转换为TTL电平窄幅零位脉冲信号，该信号连接至FPGA的通用IO接口。图3和图4分别为正转和反转时A、B两路信号的正余弦模拟量与增量脉冲波形图。
步骤2、FPGA实现粗级角度信号测量，获得粗级脉冲边沿计数值；
所述步骤2的具体方法为：根据步骤1第(1)步产生A和B两路相位相差90度的TTL电平脉冲信号的相位关系，确定当前正余弦编码器的转向；并在FPGA中创建粗级脉冲边沿计数器，根据两路增量脉冲信号关系，完成粗级脉冲边沿计数值计算；
在本实施例中，所述步骤2包括以下具体步骤：
1)根据根据步骤1第(1)步产生A和B两路相位相差90度的TTL电平脉冲信号的相位关系(具体如图3和图4)，确定当前正余弦编码器的转向；
2)在FPGA中创建粗级脉冲边沿计数器，根据两路增量脉冲信号关系，完成粗级脉冲边沿计数值计算，另外当FPGA捕获到正转时零位脉冲信号的下降沿或反转时的上升沿后，将该计数值清零。信号状态为输入、编码器转向和计数值为输出时，其逻辑关系如表1所示。
表1正反转条件下粗级脉冲计数值计算表
步骤3、FPGA实现精级角度信号测量，获得精级角度值；
所述步骤3的具体方法为：将A路正弦信号的一个周期划分为四个象限，根据正反转条件下的两路脉冲信号关系，确定当前所处象限数；并利用FPGA实时采集AD转换器测得的两路正余弦信号电压值，通过查找事先编制的数组表，获得当前的精级角度值。
在本实施例中，所述步骤3包括以下具体步骤：
1)将A路正弦信号的一个周期划分为四个象限，根据正反转条件下的两路脉冲信号关系(具体见图3和图4)，确定当前所处象限数，具体如表2所示，然后分别编制四个象限对应的数组参照表。
表2正反转条件下单个周期象限对应表
2)利用FPGA实时采集AD转换器测得的两路正余弦信号电压值，通过查找事先编制的数组表，获得当前的精级角度值。
步骤4、根据步骤2的粗级脉冲边沿计数值以及正余弦编码器的转向和步骤3的精级角度计算值，粗精耦合解算得出当前编码器角度值。
所述步骤4的粗精耦合解算得出当前编码器角度值的计算公式如下：
0angle＝Kcorse·Δdegp+Dir·βfine
其中：θangle为当前实测角度值；
Kcorse为粗级脉冲计数值；
Δdegp为每个粗级单位计数所表示的角度值，采用5000线正余弦编码器，该值为360/(5000*4)＝0.018°；
Dir为转向指示标志，正转为+1，反转为-1；
βfine为精级角度测量值。
采用本发明所述的方法，进行了试验验证，试验中采用精度为1”的徕卡经纬仪作为基准，通过多点重复采样的方式记录经纬仪示数和本发明装置的读数，通过10次角度值采集，统计本发明装置的采样误差最大最小值小于10”，同时角度更新频率最快可设置为32000Hz，充分验证了本发明的优势。
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于FPGA的高速正余弦编码器解码方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、对正余弦编码器输出的两路正余弦信号和一路零位信号作编码器信号处理；
步骤2、FPGA实现粗级角度信号测量，获得粗级脉冲边沿计数值；
步骤3、FPGA实现精级角度信号测量，获得精级角度值；
步骤4、根据步骤2的粗级脉冲边沿计数值以及正余弦编码器的转向和步骤3的精级角度计算值，粗精耦合解算得出当前编码器角度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速正余弦编码器解码方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤包括：
(1)两路正余弦信号依次通过差分放大、低通滤波、零电压比较器和光耦隔离电路，产生A和B两路相位相差90度的TTL电平脉冲信号输出至FPGA；
(2)所述两路正余弦信号还依次通过差分放大和低通滤波电路后，分别输出至两路高精度AD采集电路，该两路高精度AD采集电路将AD的数据通过SPI总线输出至FPGA；
(3)一路零位信号依次通过差分放大、零电压比较器和光耦隔离电路，将一路零位信号转换为TTL电平窄幅零位脉冲信号输出至FPGA。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的高速正余弦编码器解码方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：根据步骤1第(1)步产生A和B两路相位相差90度的TTL电平脉冲信号的相位关系，确定当前正余弦编码器的转向；并在FPGA中创建粗级脉冲边沿计数器，根据两路增量脉冲信号关系，完成粗级脉冲边沿计数值计算。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于FPGA的高速正余弦编码器解码方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：将A路正弦信号的一个周期划分为四个象限，根据正反转条件下的两路脉冲信号关系，确定当前所处象限数；并利用FPGA实时采集AD转换器测得的两路正余弦信号电压值，通过查找事先编制的数组表，获得当前的精级角度值。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于FPGA的高速正余弦编码器解码方法，其特征在于：所述步骤4的粗精耦合解算得出当前编码器角度值的计算公式如下：
θangle＝Kcorse·Δdegp+Dir·βfine
其中：θangle为当前实测角度值；
Kcorse为粗级脉冲计数值；
Δdegp为每个粗级单位计数所表示的角度值，采用5000线正余弦编码器，该值为360/(5000*4)＝0.018°；
Dir为转向指示标志，正转为+1，反转为-1；
βfine为精级角度测量值。
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